南平某高邊坡設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

林雪梅

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地資源日趨緊張。尤其是在多山地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，需要進(jìn)行大規(guī)模切坡整平工作，從而形成了大量的人工高邊坡，當(dāng)它發(fā)生滑動(dòng)破壞時(shí)，往往給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，帶來(lái)了嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，對(duì)高邊坡進(jìn)行支護(hù)加固意義十分重大。而邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)如何做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、且與周?chē)匀画h(huán)境相協(xié)調(diào)，是邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文以南平某高邊坡工程為例(該工程獲2017年全國(guó)優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng))，結(jié)合景觀提出了合理可行的設(shè)計(jì)方案，并在常用理正軟件計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用了有限元軟件Plaxis8.5進(jìn)行了輔助對(duì)比分析，既提高了安全度，又優(yōu)化了設(shè)計(jì)。該工程的順利實(shí)施為類(lèi)似高邊坡工程的設(shè)計(jì)提供了實(shí)際參考價(jià)值。

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于福建省南平市西溪路，場(chǎng)地南側(cè)與富屯溪隔國(guó)道相依，北側(cè)毗鄰山坡。該項(xiàng)目總用地面積約為29 644m2，總建筑面積約為146 695m2，由4棟28 ～31層的建筑物和1棟3層的裙房組成。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求，場(chǎng)地整平需進(jìn)行切坡，將形成人工挖方高邊坡。邊坡與建筑物之間的距離約為14m～20m，邊坡總長(zhǎng)度為450m，高度為10m～46m，為巖土質(zhì)混合高邊坡。邊坡高度較高，坡底為重要建筑物，破壞后果嚴(yán)重，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1。邊坡與建筑物之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 邊坡與建筑物關(guān)系平面布置圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

場(chǎng)地地貌屬剝蝕殘丘地貌，地形為斜坡。場(chǎng)地地勢(shì)不平，西北高、東南低，場(chǎng)地高程為黃海80m(坡腳)～200m(山頂標(biāo)高)，因切坡，坡腳較陡，坡度60°～80°，中上部山坡自然坡度20°～35°。

2.2 地層巖性

①雜(素)填土：淺黃色、褐黃色、灰褐色，松散，稍濕，填齡約1年，局部為新近填土。該層厚度為0.20m～1.20m，平均厚度0.56m。

②-1含碎石坡積砂質(zhì)粘土：褐黃色、灰黃色，稍濕，可塑～硬塑狀態(tài)。該層主要為坡積成因。厚度1.00m～6.30m，平均厚度2.17m。

②-2坡積粉質(zhì)粘土：灰黃、褐黃、灰白等色，稍濕～飽和，可塑，局部硬塑。該層主要為坡積成因。厚度1.20m～5.50m，平均厚度為2.75m 。

③全風(fēng)化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，飽和，呈硬塑～堅(jiān)硬。揭示厚度為1.60m～5.30m，平均厚度為3.38m。

④-1土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，稍濕～飽和，為粉砂巖風(fēng)化而成。邊坡均有分布，厚度0.60m～11.30m，平均厚度為3.60m。

④-2碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：褐黃、淺紫紅等色，稍濕～飽和，為粉砂巖風(fēng)化，該層邊坡內(nèi)均有揭示，揭示厚度為3.50m～20.50m，平均厚度為10.50m。

⑤中等風(fēng)化粉砂巖：青灰、灰黃等色，稍濕～飽和，致密，較硬巖，巖體完整程度破碎～較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅳ～Ⅲ級(jí)，揭示厚度為0.80m～30.0m。

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

該工程邊坡高度最大達(dá)到46m，屬于建筑挖方高邊坡；邊坡巖性為粉砂巖，強(qiáng)度較低；坡底距建筑物較近，破壞后果嚴(yán)重，給邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度。根據(jù)該工程的地質(zhì)條件、邊坡高度和場(chǎng)地使用條件，并結(jié)合景觀要求，綜合比選分析，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)合分級(jí)放坡的支護(hù)形式。邊坡坡率為1∶0.5，每級(jí)邊坡高度為10m～12.5m，平臺(tái)寬度2m。立柱和橫梁截面尺寸為400mm×500mm，錨索錨固體直徑為150mm，采用壓力分散型錨索，錨索水平間距為3m。坡頂設(shè)置600mm×600mm截水溝，每級(jí)平臺(tái)和坡底設(shè)置400mm×400mm排水溝，坡面設(shè)置急流槽和軟式排水孔。框架梁之間采用三維網(wǎng)噴播草籽綠化。典型邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)剖面如圖2所示。

圖2 典型邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

4 數(shù)值模擬對(duì)比分析

由于該邊坡高度大，破壞后果很?chē)?yán)重，為了保證邊坡安全，在按傳統(tǒng)極限平衡法(理正巖土軟件)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用了有限元軟件Plaxis對(duì)邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并采用強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，通過(guò)對(duì)不同切坡坡率(1∶0.3、1∶0.5、1∶0.8)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，在保證邊坡安全穩(wěn)定的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，和理正巖土軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估了邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性，確保了邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全，既做到了經(jīng)濟(jì)合理，又提高了設(shè)計(jì)安全度。

4.1 有限元計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型采用二維平面應(yīng)變模型，土體采用15節(jié)點(diǎn)二階三角形實(shí)體單元模擬，錨桿自由段采用桿單元模擬，錨固段采用土工格柵單元模擬。有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)倫模型，計(jì)算參數(shù)如表1所示。錨桿錨固段軸向剛度取EA=1×105kN/m, 錨桿自由段軸向剛度取EA=2×105kN。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1坡率為1∶0.3情況下的邊坡破壞模式及安全系數(shù)由于切坡坡率較陡，在其它條件相同的前提下，邊坡潛在滑動(dòng)面如圖4所示，滑動(dòng)面為圓弧形，與錨索自由段呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，滑動(dòng)面底端剪出口位于土巖交界面(第一排錨索位置)。計(jì)算得出的安全系數(shù)為1.27，小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)中一級(jí)邊坡規(guī)定值1.35。表明采用1∶0.3坡率的支護(hù)方案安全性不滿足規(guī)范要求，該方案不可行。

圖4 坡率為1:0.3時(shí)邊坡潛在滑動(dòng)面(FS=1.27)

4.3.2坡率為1∶0.5情況下的邊坡破壞模式及安全系數(shù)

邊坡潛在滑動(dòng)面如圖5所示，滑動(dòng)面基本呈圓弧形，滑動(dòng)面底端剪出口位于第四排錨索位置，相對(duì)1∶0.3坡率下的滑弧較小。計(jì)算得出的安全系數(shù)為1.45，大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)中一級(jí)邊坡規(guī)定值1.35，滿足設(shè)計(jì)要求。表明1∶0.5坡率的支護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

圖5 坡率為1∶0.5時(shí)邊坡潛在滑動(dòng)面(FS=1.45)

4.3.3坡率為1∶0.8情況下的邊坡破壞模式及安全系數(shù)

邊坡潛在滑動(dòng)面如圖6所示，滑動(dòng)面呈圓弧形，與錨索自由段完全對(duì)應(yīng)，滑動(dòng)面底端剪出口與坡率為1∶0.5的剪出口一致，都位于第四排錨索位置。計(jì)算得出的安全系數(shù)為1.55，表明1∶0.8坡率的支護(hù)設(shè)計(jì)方案安全性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 坡率為1∶0.8時(shí)邊坡潛在滑動(dòng)面(FS=1.55)

4.3.4對(duì)比分析

從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出：①不論采用哪一種切坡坡率，邊坡的滑動(dòng)面都為圓弧形，滑動(dòng)面與錨索自由段位置基本對(duì)應(yīng)。②坡率越陡，滑動(dòng)面越大；坡率越緩，滑動(dòng)面越小。③坡率越陡，安全系數(shù)越??；坡率越緩，安全系數(shù)越大。

1∶0.3坡率支護(hù)方案計(jì)算安全系數(shù)小于1.35，不滿足規(guī)范要求，該方案不可行。1∶0.5和1∶0.8坡率支護(hù)方案計(jì)算安全系數(shù)大于1.35，安全性均滿足要求，但從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，1∶0.8坡率的切坡高度高，達(dá)49m，邊坡開(kāi)挖土方量大，支護(hù)結(jié)構(gòu)工程量多，經(jīng)濟(jì)性較差。綜合來(lái)看，1∶0.5坡率的邊坡支護(hù)方案在滿足規(guī)范要求的前提下，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，為最優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。且采用理正巖土軟件計(jì)算安全系數(shù)為1.411，與有限元計(jì)算安全系數(shù)1.45相近，也表明了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性，和理正巖土軟件的相互驗(yàn)證也提高了設(shè)計(jì)安全度。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于該邊坡高度大，坡底為高層建筑物，破壞后果嚴(yán)重。為了保證邊坡的安全，必須對(duì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采取信息化施工方法。本次監(jiān)測(cè)共埋設(shè)了81個(gè)水平位移和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)棱鏡，監(jiān)測(cè)儀器采用了目前精度最高的自動(dòng)測(cè)量型全站儀。該全站儀能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄等自動(dòng)化技術(shù)手段，減少人為誤差的影響，保證觀測(cè)的精度指標(biāo)。監(jiān)測(cè)周期為從邊坡施工至邊坡竣工后兩年。表2為各段邊坡最大變形值。

表2 邊坡最大變形值 mm

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在邊坡施工和運(yùn)營(yíng)期間，邊坡累計(jì)水平位移最大值為17.28mm，累計(jì)沉降最大值為20.64mm，且大部分變形都發(fā)生在邊坡施工期間。邊坡竣工后，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形基本穩(wěn)定，變形值滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，表明該邊坡支護(hù)工程安全可靠，支護(hù)設(shè)計(jì)方案是成功可行的。

圖7為邊坡竣工后實(shí)景，框架梁之間的坡面已長(zhǎng)滿草木，既防止了坡面水土流失，又綠化了邊坡。平臺(tái)設(shè)置了欄桿，以供小區(qū)居民休閑散步之用。人工邊坡與周?chē)匀画h(huán)境相互協(xié)調(diào)，在保證邊坡安全的前提下做到了自然和諧。

圖7 邊坡支護(hù)竣工后實(shí)景

6 結(jié)語(yǔ)

雖然高邊坡工程已發(fā)展幾十年了，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)邊坡工程的要求也越來(lái)越高。如何在保證邊坡安全的前提下，既使支護(hù)結(jié)構(gòu)做到經(jīng)濟(jì)合理，又能與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，是邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文結(jié)合南平某高邊坡的設(shè)計(jì)和分析，提出如下幾點(diǎn)建議：

(1)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，邊坡變形穩(wěn)定，該邊坡目前處于安全狀態(tài)，表明該工程采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)形式是成功可行的。

(2)采用有限元軟件對(duì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，既提高了設(shè)計(jì)安全度，又達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，是一種可行有效的輔助分析手段。

(3)在框架梁之間采用三維網(wǎng)噴播草籽，既防止了雨水沖刷，又綠化了坡面，使邊坡與周?chē)匀画h(huán)境相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了綠色巖土的概念。

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